开发出了一种新技术,可以高分辨率地绘制材料的完整电子带结构图

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麻省理工学院物理学家开发的一种新技术,用于以高分辨率绘制材料的完整电子带结构。这种功能通常是大型同步加速器设备所独有的,但它现在可以在麻省理工学院作为桌面激光设备使用。该技术使用极紫外(XUV)激光脉冲通过角分辨光电子能谱(ARPES)测量电子的动力学,称为时间分辨的XUV ARPES。与基于同步加速器的设备不同,这种基于激光的设备还提供时间分辨能力,以在十亿分之一秒的时间尺度上观察材料内的电子。

在时间和距离尺度上比较这种快速技术,虽然光可以在大约一秒钟内从月球传播到地球,但它只能以飞秒(400万分之一秒)厚度传播到普通复印纸。麻省理工学院的研究团队使用四种代表广谱量子材料的示例材料来评估仪器分辨率:拓扑Weyl半金属,高临界温度超导体,分层半导体和电荷密度波系统。麻省理工学院物理学家Edbert Jarvis Sie博士发表了《自然通讯》的结果和应用。现代凝聚态物理学的核心目标是发现新的物质阶段并对新物质阶段的量子特性施加控制。

这种行为是由于电子能量的变化作为不同材料的内部动量的函数。这种关系被称为材料的电子能带结构,并且可以使用光电发射光谱法测量。该技术使用具有高光子能量的光来从材料表面射出电子,这一过程以前称为光电效应。输出电子的速度和方向可以通过角分辨率来测量,以确定材料内的能量和动量关系,其中电子之间的集体相互作用经常超过预测。研究这种非常规相互作用的一种方法是将电子提升到更高的能级,并观察它们如何从激发态返回到基态。这就是所谓的“泵检测”方法。

这基本上与人们在日常生活中用来感知周围新事物的方式相同。例如,任何人都可以在水面上扔一块鹅卵石,看看筏是如何减弱的,以观察水的表面张力和声学效果。该装置的不同之处在于研究人员使用红外脉冲将电子“泵”入激发态,并使用XUV光脉冲在延迟后“探测”光发射的电子。时间和角度分辨光电子能谱(TrARPES)以飞秒时间分辨率捕获固体电子能带结构图像。该技术为电子动力学提供了宝贵的见解,这对理解材料特性至关重要。

然而,通过激光ARPES难以获得具有窄能量分辨率的高动量电子,这严重限制了可以用该技术研究的现象的类型。位于麻省理工学院的新开发的XUV trARPES装置长约10英尺,可产生高能量分辨率的飞秒极紫外光源。 XUV很快被空气吸收,因此光学器件被放置在真空中。从光源到样品室的每个部件以毫米精度投射到计算机上。该技术在飞秒时间尺度上以前所未有的窄能量分辨率完全检测所有材料的电子能带结构。为了证明器件的分辨率,仅测量光源的分辨率是不够的。

因此,有必要使用多种材料来验证真实光电发射测量的分辨率,结果非常令人满意!该设备的最终组装包括业内同时开发的几种新兴仪器:KMLabs的飞秒XUV源(XUUS),McPherson的XUV单色仪(OP-XCT)和Scienta Omicron的角分辨率飞行时间(Artof)电子产品。分析仪。该技术有可能突破凝聚态物理学的界限。该装置精确测量高动量电子的能量。飞秒时间电子分析仪和XUV飞秒光源的组合能够测量几乎任何材料的完整电子结构。另一个重大进步是改变光子能量的能力,光子能量通常随实验中使用的光子能量而显着变化。

这是因为光发射截面取决于形成固体的元素的轨道特性。由该装置提供的光子能量可调性对于增强特定频带的光发射计数非常有用。任何量子材料,拓扑绝缘体或超导问题都可以从理解非平衡态的能带结构中获益。通过检测光电发射电子的发射角和能量,可以记录电子带结构。在样品被光激发后,可以记录电子带结构的变化。这些变化提供了在飞秒时标上以帧速率拍摄的“电子图像”。这些成就将使人们能够提供具有足够高能量分辨率的量子材料的长期,高分辨率研究,以提供见解。

博科|研究/来自:麻省理工学院

参考期刊《自然通讯》

DOI: 10.1038/s-019--3

博科|科学,技术,研究,科学与技术

本文为第一作者的原创,未经授权不得转载

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麻省理工学院物理学家开发的一种新技术,用于以高分辨率绘制材料的完整电子带结构。这种功能通常是大型同步加速器设备所独有的,但它现在可以在麻省理工学院作为桌面激光设备使用。该技术使用极紫外(XUV)激光脉冲通过角分辨光电子能谱(ARPES)测量电子的动力学,称为时间分辨的XUV ARPES。与基于同步加速器的设备不同,这种基于激光的设备还提供时间分辨能力,以在十亿分之一秒的时间尺度上观察材料内的电子。

在时间和距离尺度上比较这种快速技术,虽然光可以在大约一秒钟内从月球传播到地球,但它只能以飞秒(400万分之一秒)厚度传播到普通复印纸。麻省理工学院的研究团队使用四种代表广谱量子材料的示例材料来评估仪器分辨率:拓扑Weyl半金属,高临界温度超导体,分层半导体和电荷密度波系统。麻省理工学院物理学家Edbert Jarvis Sie博士发表了《自然通讯》的结果和应用。现代凝聚态物理学的核心目标是发现新的物质阶段并对新物质阶段的量子特性施加控制。

这种行为是由于电子能量的变化作为不同材料的内部动量的函数。这种关系被称为材料的电子能带结构,并且可以使用光电发射光谱法测量。该技术使用具有高光子能量的光来从材料表面射出电子,这一过程以前称为光电效应。输出电子的速度和方向可以通过角分辨率来测量,以确定材料内的能量和动量关系,其中电子之间的集体相互作用经常超过预测。研究这种非常规相互作用的一种方法是将电子提升到更高的能级,并观察它们如何从激发态返回到基态。这就是所谓的“泵检测”方法。

这基本上与人们在日常生活中用来感知周围新事物的方式相同。例如,任何人都可以在水面上扔一块鹅卵石,看看筏是如何减弱的,以观察水的表面张力和声学效果。该装置的不同之处在于研究人员使用红外脉冲将电子“泵”入激发态,并使用XUV光脉冲在延迟后“探测”光发射的电子。时间和角度分辨光电子能谱(TrARPES)以飞秒时间分辨率捕获固体电子能带结构图像。该技术为电子动力学提供了宝贵的见解,这对理解材料特性至关重要。

然而,通过激光ARPES难以获得具有窄能量分辨率的高动量电子,这严重限制了可以用该技术研究的现象的类型。位于麻省理工学院的新开发的XUV trARPES装置长约10英尺,可产生高能量分辨率的飞秒极紫外光源。 XUV很快被空气吸收,因此光学器件被放置在真空中。从光源到样品室的每个部件以毫米精度投射到计算机上。该技术在飞秒时间尺度上以前所未有的窄能量分辨率完全检测所有材料的电子能带结构。为了证明器件的分辨率,仅测量光源的分辨率是不够的。

因此,有必要使用多种材料来验证真实光电发射测量的分辨率,结果非常令人满意!该设备的最终组装包括业内同时开发的几种新兴仪器:KMLabs的飞秒XUV源(XUUS),McPherson的XUV单色仪(OP-XCT)和Scienta Omicron的角分辨率飞行时间(Artof)电子产品。分析仪。该技术有可能突破凝聚态物理学的界限。该装置精确测量高动量电子的能量。飞秒时间电子分析仪和XUV飞秒光源的组合能够测量几乎任何材料的完整电子结构。另一个重大进步是改变光子能量的能力,光子能量通常随实验中使用的光子能量而显着变化。

这是因为光发射截面取决于形成固体的元素的轨道特性。由该装置提供的光子能量可调性对于增强特定频带的光发射计数非常有用。任何量子材料,拓扑绝缘体或超导问题都可以从理解非平衡态的能带结构中获益。通过检测光电发射电子的发射角和能量,可以记录电子带结构。在样品被光激发后,可以记录电子带结构的变化。这些变化提供了在飞秒时标上以帧速率拍摄的“电子图像”。这些成就将使人们能够提供具有足够高能量分辨率的量子材料的长期,高分辨率研究,以提供见解。

博科|研究/来自:麻省理工学院

参考期刊《自然通讯》

DOI: 10.1038/s-019--3

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